Новая физическая теория поспособствует лучшему пониманию физиками медленной динамики жидкостей, состоящих из больших полимеров. Прорыв позволит понять, как молекулы полимера реагируют на быстропотоковые высоконапряженные состояния пластиков и других полимеров.

Профессор материаловедения Кеннет Швайцер из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн и аспирант Дэниель Сассмэн опубликовали результаты исследования в издании Physical Review Letters.

«Это первая микроскопическая теория сцепленных полимерных жидкостей на фундаментальном силовом уровне с построением динамического ограничивающего потенциала, который контролирует медленное макромолекулярное движение», – сказал Швайцер. – «Наш прорыв закладывает фундамент для огромного объема работ в будущем, связанных и с синтетическими полимерами для разработки пластиков, и с биополимерами для цитобиологии и механики».

Полимеры эти представляют из себя длинные большие молекулы, которые встречаются в биологии, химии и материаловедении. Линейные полимеры делятся на два класса: твердые пруты как неприготовленные спагетти и гибкие удлиненные структуры, как сваренная лапша.

В плотном растворе линейные полимеры становятся сцепленными или спутанными, как спагетти в кастрюле, переплетаясь друг с другом. Каждый полимер окружен соседними так, что жидкость в целом ведет себя как упругий вязкий каучук.

С учетом достаточного количества времени жидкость будет медленно перетекать вслед за ползущими словно змеи полимерами — движение получило название поверхностного сползания. Ученые долгое время предполагали, что такое сползание каждого полимера ограничено трубоподобной областью пространства, подобно тому, как змея ползет по трубе, однако трудно объяснить, как и почему полимеры ведут себя именно таким образом.

Новая теория Швайцера и Сассмэна, основанная на микроскопической физике, объясняет медленную динамику твердых запутанных полимеров и количественное построение ограничивающей динамической трубы вследствие сил между молекулами. Концепция трубы возникает как следствие сильных взаимодействий между полимером и несметным числом переплетенных с ним соседей. Математический подход к теории позволяет лучше понять запутанность и экспериментальные данные.